专利名称：汽车怠速起停系统及复合电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车控制系统,尤其涉及一种汽车怠速起停系统(Idling Stopand Start System,简称ISS)及复合电源。
背景技术：
能源枯竭，石油价格不断攀升、全球气候环境不断恶化，更加突出了汽车产品开发中节能环保技术是当今全球汽车业所面临的重大技术挑战。通过取消停车怠速、消除怠速油耗、排放和噪声，进而达到节能减排降噪，效果显著，特别对于城市用车，效果更加明显。在城市中，由于人口和车辆集中，造成车速低、油耗高、排放与嗓声严重等问题。特别对于城市公共汽车，由于城区公共汽车停靠的站点多，站与站之间的距离短。再者，城区 交通拥挤，行驶时速不高，红绿灯多，起步和停车十分频繁，引擎产生的较多牵引能量在制动过程中以摩擦生热的形式消耗掉了。长时间的停车工况，使引擎长时间地处于高耗油率的怠速运转状态，不仅消耗燃料，而且排放废气污染环境。鉴于此，业界近年来开发一种汽车怠速起停系统，以减低车辆引擎排放，提高燃油经济性。在目前的汽车怠速起停系统中，如同传统汽车的启动方式，汽车的启动是通过启动电机实现的，启动电机由蓄电池供电。由于汽车启动机是短时间工作的电机，启动频繁，启动电流大，因此启动电机不可以长时间连续工作，一般就几秒钟，但是启动电机的大的工作电流对蓄电池损害巨大，会大大缩短蓄电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车怠速起停系统及复合电源，以解决现有技术存在的蓄电池容易受到损害的问题。为了实现上述目的，在本发明的第一方面，本发明提供一种汽车怠速起停系统，包括储能单元，用于存储和输出电能；启动电机，包括电动机工作模式和发电机工作模式，连接于汽车的引擎；电机驱动器，连接于启动电机；电力电子变换器装置，与储能单元连接和电机驱动器连接；汽车状态监测装置，用于检测作为判断汽车是否满足启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态的参数；电子控制单元，与电机驱动器、所述汽车状态监测装置、电力电子变换器装置、启动电机、电机驱动器、储能单元通信连接，用于根据所述汽车状态监测装置检测到的参数，判断汽车是否处于启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态，以通过汽车的引擎控制器控制引擎的运转、控制电机驱动器的运转、控制电力电子变换器装置的操作、以及控制储能单元和启动电机之间的能量转移。其中储能单元包括蓄电池和超级电容，且电力电子变换器装置连接在储能单元的蓄电池和超级电容之间。其中，电子控制单元通过所述汽车状态监测装置提供的参数控制汽车处于启动状态时，启动电机处于电动机工作模式，储能单元的超级电容通过电力电子变换器装置和电机驱动器向启动电机提供能量，电机驱动器驱动启动电机，继而启动电机带动并经由引擎控制器控制汽车的引擎工作，以实现汽车启动；汽车处于正常运行状态时，启动电机处于发电机工作模式，且启动电机将汽车的引擎所产生的能量通过电机驱动器和电力电子变换器装置输送给储能单元中的蓄电池，以使蓄电池充电；当汽车处于怠速停止状态时，通过汽车的引擎控制器停止汽车的引擎工作，启动电机处于发电机工作模式并将汽车在停止制动时产生的能量通过电机驱动器和电力电子变换器装置传输给储能单元中的超级电容，以对超级电容充电；当汽车处于停止状态时，蓄电池通过电力电子变换器装置对超级电容充电，以使超级电容在充电后供汽车启动使用。为了实现上述目的，在本发明的第二个方面，本发明提供的复合电源包括储能系统，用于存储和输出电能，且包括耦接的蓄电池和超级电容；电力电子变换器装置，与蓄电池和超级电容连接，用于蓄电池和超级电容之间的电压变换以及蓄电池和超级电容与外界之间电压变换。本发明的有益效果如下。基于本发明的储能单元采用超级电容与蓄电池组合，借此利用超级电容功率密度 高、充放电时间短、循环寿命长、启动电流大的特性，可以支持启动电机频繁启动，且避开大电流对蓄电池的影响，从而不会缩短蓄电池的寿命。此外，由于超级电容放电快且启动电流大,从而将大功率能量提供给启动电机,从而可以实现汽车的快速启动。此外，由于超级电容功率密度高，可以有效地存储汽车处于怠速停车状态时处于发电机工作模式下的启动电机提供的大功率能量，从而减低汽车引擎的排放，提高了燃油的经济性。
图I为本发明的汽车怠速起停系统的结构框图；图2为本发明的复合电源的电路拓扑结构图；图3为本发明的电机驱动器的电路结构图。附图标记和部件的对应关系为I电子控制单元 3弓丨擎31引擎控制器4启动电机5电机驱动器6电力电子变换器装置61电子开关7储能单元71蓄电池72超级电容711第一变换器721第二变换器21车速传感器22超级电容状态检测装置23蓄电池状态检测装置24引擎转速传感器 8驾驶员状态检测装置 81制动踏板位置传感器82加速踏板位置传感器83离合器踏板位置传感器 84档位传感器Dl第一二极管D2第二二极管 T场效应管 L电感
具体实施例方式下面结合
根据本发明的汽车怠速起停系统和复合电源。首先说明根据本发明的汽车怠速起停系统。如图I所示，根据本发明的汽车怠速起停系统包括储能单元7，用于存储和输出电能；启动电机4，包括电动机工作模式和发电机工作模式，连接于汽车的引擎3 ;电机驱动器5，连接于启动电机4 ；电力电子变换器装置6，与储能单元7连接和电机驱动器5连接；汽车状态监测装置，用于检测作为判断汽车是否满足启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态的参数；以及电子控制单元1，与电机驱动器5、所述汽车状态监测装置、电力电子变换器装置6、启动电机4、电机驱动器5、储能单元7通信连接，用于根据所述汽车状态监测装置检测到的参数，判断汽车是否处于启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态，以通过汽车的引擎控制器31控制引擎3的运转、控制电机驱动器5的运转、控制电力电子变换器装置6的操作、以及控制储能单元7和启动电机4之间的能量转移。其中，所述通信连接可以为无线或有线通信连接。 其中，储能单元7包括蓄电池71和超级电容72，且电力电子变换器装置6连接在储能单元7的蓄电池71和超级电容72之间。蓄电池71可以为铅酸蓄电池或锂离子蓄电池。超级电容72可以为多个，多个超级电容72可以串和/或并联在一起。电子控制单元I通过所述汽车状态监测装置提供的参数控制汽车处于启动状态时，启动电机4处于电动机工作模式，储能单元7的超级电容72通过电力电子变换器装置6和电机驱动器5向启动电机4提供能量，电机驱动器5驱动启动电机4，继而启动电机4带动并经由引擎控制器31控制汽车的引擎3工作，以实现汽车启动；汽车处于正常运行状态时，启动电机4处于发电机工作模式,且启动电机4将汽车的引擎3所产生的能量通过电机驱动器5和电力电子变换器装置6输送给储能单元7中的蓄电池71，以使蓄电池71充电；当汽车处于怠速停止状态时，通过汽车的引擎控制器31停止汽车的引擎3工作，启动电机4处于发电机工作模式并将汽车在停止制动时产生的能量通过电机驱动器5和电力电子变换器装置6传输给储能单元7中的超级电容72，以对超级电容72充电；以及当汽车处于停止状态时，蓄电池71通过电力电子变换器装置6对超级电容72充电，以使超级电容72在充电后供汽车启动使用。换句话说，当汽车处于启动状态时，超级电容72通过电力电子变换器装置6向启动电机4提供大功率能量；当汽车处于正常运行状态时，启动电机4将平稳功率输送给蓄电池71 ;当汽车处于怠速停止状态时，启动电机4通过电力电子变换器装置6将大功率能量传输给超级电容72 ;当汽车处于停止状态时，蓄电池71通过电力电子变换器装置6及时给超级电容72补充能量，以待汽车启动时使用。在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，所述汽车状态监测装置可包括驾驶员状态检测装置8，用于检测驾驶员的操作行为；车速传感器21，用于检测汽车的车速；弓丨擎转速传感器24，用于检测汽车的引擎3的转速；超级电容状态检测装置22，与超级电容72通信连接，用于检测超级电容72的状态参数，例如电压、电流、容量等；以及蓄电池状态检测装置23，与蓄电池71通信连接，用于检测蓄电池71的状态参数，例如电压、电流、容量等。所述通信连接可以为无线或有线通信连接。在图I中，超级电容状态检测装置22与超级电容72通信连接以及蓄电池状态检测装置23与蓄电池71通信连接均未示出连接线。在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，驾驶员状态检测装置8可包括制动踏板位置传感器81，用于检测汽车制动踏板的位置；加速踏板位置传感器82，用于检测汽车加速踏板的位置；离合器踏板位置传感器83，用于检测汽车离合器踏板的位置；档位传感器84，用于检测汽车变速箱的档位。在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，电子控制单元I通过所述汽车状态监测装置可以检测作为判断汽车是否处于相应状态(例如汽车处于启动、正常行驶、怠速停止、或停止状态)的参数(包括蓄电池容量状态、超级电容的容量状态的参数)。例如，通过制动踏板位置传感器81检测到的汽车制动踏板的位置、加速踏板位置传感器82检测到的汽车加速踏板的位置(进而确定油门的开度)、离合器踏板位置传感器83检测到的离合器踏板的位置(进而确定汽车离合器的位置)、档位传感器84检测到的汽车变速箱的档位、车速传感器21检测到的汽车的车速、引擎转速传感器24检测到汽车的引擎3的转速、以及超级电容状态检测装置22检测到的超级电容72的容量、蓄电池状态检测装置23检测到的蓄电池71的容量等信息综合判断之后，来确定汽车是否处于启动、正常行驶、怠速停止、或停止状态并执行相应的控制。在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，电力电子变换器装置6可包括使蓄电池71的直流电压转换为供超级电容72使用的直流电压的斩波器。 在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，电机驱动器5视驱动电机4的型号而定。当启动电机4为直流电机时，电力电子变换器装置6包括将超级电容72直流电压转换为供电机驱动器5使用的直流电压的斩波器。当启动电机4为交流电机时，电力电子变换器装置6包括将超级电容72的直流电压转换为供电机驱动器5使用的交流电压的逆变器、将电机驱动器5的交流电压转换为供超级电容72使用的直流电压之间的整流器、以及将电机驱动器5的交流电压转换为供蓄电池71使用的直流电压之间的整流器。在根据本发明所述的汽车怠速起停系统中，如图2所示，在一个实施例中，电力电子变换器装置6包括电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、电子开关61、场效应管T、第一变换器711和第二变换器721。电感L的一端连接于蓄电池71的负极和超级电容72的正极，电感L的另一端连接于场效应管T的源极、第一二极管Dl的阳极、第二二极管D2的阴极及电子开关61的一端。第一二极管Dl的阴极、场效应管T的漏极连接于蓄电池71的正极，第二二极管D2的阴极连接于超级电容72的负极，电子开关61的另一端连接于电机驱动器5，电子控制单元I与场效应管T的栅极、电子开关61连接以控制场效应管T的栅极、电子开关61的导通关断。电机驱动器5分别通过第一变换器711、第二变换器721连接于蓄电池71、超级电容72以进行能量交换。运行时，当电子控制单元I控制电子开关61开通以及作为开关的场效应管T关断时，超级电容72通过电感L、电子开关61向电机驱动器5提供启动能量。当电子控制单元I控制电子开关61关断以及场效应管T高速开通时，电感L电流增加，随之，当电子控制单元I控制场效应管T关断时，电感L上的电流通过第二二极管D2续流向超级电容72充电，从而实现蓄电池71对电容器72充电。通过上述工作模式的切换，可以实现超级电容72的充电以及启动电机4的启动。当汽车处于正常运行状态和怠速停止状态而启动电机4处于发电机工作模式时，电子控制单元I控制电子开关61关断和作为开关的场效应管T关断，启动电机4将通过电机驱动器5将能量传送给第一变换器711和第二变换器721，以分别对蓄电池71和超级电容72进行充电。如图2和图3所示，电机驱动器5包括六个N沟道增强型MOS管(未标记)和六个二极管(未标记)，且六个二极管为反向二极管，电机驱动器5的反向二极管可以把启动电机4发的电反馈到直流母线，直流母线通过第一变换器711和第二变换器721分别对蓄电池71和超级电容72进行充电。其中，第一变换器711和第二变换器721可以为直流变换器。综上，本发明中，蓄电池71和超级电容72构成储能单元7，再与电力电子变换器装置6、电机驱动器5和启动电机4构成主电路。其中蓄电池71和超级电容72之间通过电力电子变换器装置6来实现能量转移，储能单元7的蓄电池71和超级电容72也通过电力电子变换器装置6来实现能量的双向流动。由上可知，本发明由于存储单元7采用超级电容72，可以解决汽车中采用蓄电池无法满足多次启动的问题，且不会缩短蓄电池的寿命。此外，且充分地存储在汽车正常运行状态和怠速停止状态下启动电机4以发电机模式工作时产生的能量，从而实现节能减排。下面说明本发明的复合电源。图2示出了本发明的复合电源的电路拓扑结构，并且图2示出了复合电源应用于图I所示汽车怠速起停系统的结构，当然，该复合电源并不具有限于汽车领域，其也可以应用于船舶、起重机等具有电能存储及转换系统的装置。本发明的复合电源包括储能系统7，用于存储和输出电能，且包括耦接的蓄电池71和超级电容72 ；以及电力电子变换器装置6，与蓄电池71和超级电容72连接，用于蓄电池71和超级电容72之间的电压变换以及蓄电池71和超级电容72与外界之间电压变换。在图2所示的复合电源中，在一个实施例中，电力电子变换器装置6包括电感L、第一二极管Dl、第二二极管D2、电子开关61、场效应管T、第一变换器711和第二变换器721。电感L的一端连接于蓄电池71的负极和超级电容72的正极，电感L的另一端连接于场效应管T的源极、第一二极管Dl的阳极、第二二极管D2的阴极及电子开关61的一端。第一二极管Dl的阴极、场效应管T的漏极连接于蓄电池71的正极，第二二极管D2的阴极连接于超级电容72的负极，电子开关61的另一端、第一变换器711和第二变换器721的电流输入端连接于外界。运行时，当电子开关61开通以及作为开关的场效应管T关断时，超级电容72通过电感L、电子开关61向外界提供能量。当电子开关61关断以及场效应管T高速开通时，电感L电流增加，随之，当电子控制单元I控制场效应管T关断时，电感L上的电流通过第二二极管D2续流向超级电容72充电，从而实现蓄电池71对电容器72充电。当控制电子开关61关断和作为开关的场效应管T关断，外界电源可以通过第一变换器711和第二变换器721分别向蓄电池71和超级电容72充电。在根据本发明所述的复合电源中，电力电子变换器装置6可包括使蓄电池71的直流电压转换为供超级电容72使用的直流电压的斩波器。当外界为直流电压时，电力电子变换器装置6包括将超级电容72直流电压转换为外界使用的直流电压的斩波器。当外界为交流电压时，电力电子变换器装置6包括将超级电容72的直流电压转换为外界使用的交流电压的逆变器、将外界的交流电压转换为供超级电容72使用的直流电压之间的整流器、以及将外界的交流电压转换为供蓄电池71使用的直流电压之间的整流器。由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
权利要求
1.一种汽车怠速起停系统，包括 储能单兀(7)，用于存储和输出电能； 启动电机(4)，包括电动机工作模式和发电机工作模式，连接于汽车的引擎(3)； 电机驱动器(5)，连接于启动电机(4)； 电力电子变换器装置(6 )，与储能单元(7 )连接和电机驱动器(5 )连接； 汽车状态监测装置，用于检测作为判断汽车是否满足启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态的参数；以及 电子控制单元(1)，与电机驱动器(5)、所述汽车状态监测装置、电力电子变换器装置(6)、启动电机(4)、电机驱动器(5)、储能单元(7)通信连接，用于根据所述汽车状态监测装置检测到的参数，判断汽车是否处于启动、正常运行、怠速停止、或停止的状态，以通过汽车的引擎控制器(31)控制引擎(3)的运转、控制电机驱动器(5)的运转、控制电力电子变换器装置(6)的操作、以及控制储能单元(7)和启动电机(4)之间的能量转移； 其特征在于， 储能单元(7 )包括蓄电池(71)和超级电容(72 )，且电力电子变换器装置(6 )连接在储能单元(7)的蓄电池(71)和超级电容(72)之间； 其中，电子控制单元(I)通过所述汽车状态监测装置提供的参数控制 汽车处于启动状态时，启动电机(4)处于电动机工作模式，储能单元(7)的超级电容(72)通过电力电子变换器装置(6)和电机驱动器(5)向启动电机(4)提供能量，电机驱动器(5)驱动启动电机(4)，继而启动电机(4)带动并经由引擎控制器(31)控制汽车的引擎(3)工作，以实现汽车启动； 汽车处于正常运行状态时，启动电机(4 )处于发电机工作模式，且启动电机(4 )将汽车的引擎(3)所产生的能量通过电机驱动器(5)和电力电子变换器装置(6)输送给储能单元(7)的蓄电池(71)，以使蓄电池(71)充电； 当汽车处于怠速停止状态时，通过汽车的引擎控制器(31)停止汽车的引擎(3)工作，启动电机(4)处于发电机工作模式并将汽车在停止制动时产生的能量通过电机驱动器(5)和电力电子变换器装置(6 )传输给储能单元(7 )中的超级电容(72 )，以对超级电容(72 )充电； 当汽车处于停止状态时，蓄电池(71)通过电力电子变换器装置(6 )对超级电容(72 )充电，以使超级电容(72)在充电后供汽车启动使用。
2.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，所述汽车状态监测装置包括 驾驶员状态检测装置(8)，用于检测驾驶员的操作行为； 车速传感器(21)，用于检测汽车的车速； 引擎转速传感器(24)，用于检测汽车的引擎(3)的转速； 超级电容状态检测装置(22 )，与超级电容(72 )连接，用于检测超级电容(72 )的状态参数；以及 蓄电池状态检测装置(23)，与蓄电池(71)连接，用于检测蓄电池(71)的状态参数。
3.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，所述驾驶员状态检测装置(8)包括制动踏板位置传感器(81 )，用于检测汽车制动踏板的位置； 加速踏板位置传感器(82)，用于检测汽车加速踏板的位置； 离合器踏板位置传感器(83)，用于检测汽车离合器踏板的位置； 档位传感器(84)，用于检测汽车变速箱的档位。
4.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，电力电子变换器装置(6)包括使蓄电池(71)的直流电压转换为供超级电容(72)使用的直流电压的斩波器。
5.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，当启动电机(4)为直流电机时，电力电子变换器装置(6)包括将超级电容(72)直流电压转换为供电机驱动器(5)使用的直流电压的斩波器。
6.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，当启动电机(4)为交流电机时，电力电子变换器装置(6)包括将超级电容(72)的直流电压转换为供电机驱动器(5)使用的交流电压的逆变器、将电机驱动器(5)的交流电压转换为供超级电容(72)使用的直流电压之间的整流器、以及将电机驱动器(5)的交流电压转换为供蓄电池(71)使用的直流电压之间的整流器。
7.根据权利要求I所述的汽车怠速起停系统，其特征在于，所述电力电子变换器装置包括电感(L)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、电子开关(61)、场效应管(T)、第一变换器(711)和第二变换器(721)，电感(L)的一端连接于蓄电池(71)的负极和超级电容(72)的正极，电感(L)的另一端连接于场效应管(T)的源极、第一二极管(Dl)的阳极、第二二极管(D2)的阴极及电子开关(61)的一端，第一二极管(Dl)的阴极、场效应管(T)的漏极连接于蓄电池(71)的正极，第二二极管(D2)的阴极连接于超级电容(72)的负极，电子开关(61)的另一端连接于电机驱动器(5)，电子控制单元(I)与场效应管(T)的栅极、电子开关(61)连接以控制场效应管(T)的栅极、电子开关(61)的导通关断； 电机驱动器(5)分别通过第一变换器(711)、第二变换器(721)连接于蓄电池(71)、超级电容(72)以进行能量交换。
8.一种复合电源，其特征在于，包括 储能系统(7)，用于存储和输出电能，且包括耦接的蓄电池(71)和超级电容(72); 电力电子变换器装置(6)，与蓄电池(71)和超级电容(72)连接，用于蓄电池(71)和超级电容(72)之间的电压变换以及蓄电池(71)和超级电容(72)与外界之间电压变换。
9.根据权利要求8所述的复合电源，其特征在于，电力电子变换器装置(6)包括电感(L)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、电子开关(61)、场效应管(T)、第一变换器(711)和第二变换器(721)，电感(L)的一端连接于蓄电池(71)的负极和超级电容(72)的正极，电感(L)的另一端连接于场效应管(T)的源极、第一二极管(Dl)的阳极、第二二极管(D2)的阴极及电子开关(61)的一端，第一二极管(Dl)的阴极、场效应管(T)的漏极连接于蓄电池(71)的正极，第二二极管(D2)的阴极连接于超级电容(72)的负极；第一变换器(711)、第二变换器(721)连接于蓄电池(71)、超级电容(72)以进行能量交换。
全文摘要
本发明提供一种汽车怠速起停系统及复合电源，该汽车怠速起停系统包括储能单元，包括蓄电池和超级电容；启动电机，连接于汽车的引擎；电机驱动器，连接于启动电机；电力电子变换器装置，连接于蓄电池、超级电容和电机驱动器；汽车状态监测装置；电子控制单元，与电机驱动器、汽车状态监测装置、电力电子变换器装置、启动电机、电机驱动器、储能单元通信连接，用于根据汽车状态监测装置检测到的参数，判断汽车是否处于启动、正常运行、怠速停止或停止的状态，以控制引擎、电机驱动器的运转、电力电子变换器装置的操作、以及储能单元和启动电机之间的能量转移。本发明可以实现快速启动，提高燃油的经济性和延长蓄电池寿命。
文档编号F02D11/00GK102658802SQ20121016044
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者丁凯, 郑家伟, 陈乐茵 申请人:无锡富洪科技有限公司